機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)縱向改造CA6140車床說明書

1、一、前言隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已是衡量一個(gè)國家機(jī)械制造水平的重要標(biāo)志。目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機(jī)床數(shù)控化率不到3。用普通機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對(duì)普通機(jī)床數(shù)控改造，尤其適合我國機(jī)床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。電氣時(shí)代、機(jī)械工人、電氣應(yīng)用等多家雜志為滿足廣大企業(yè)技術(shù)改造發(fā)展生產(chǎn)的需要，多次聯(lián)合舉辦學(xué)習(xí)班，為企業(yè)提供權(quán)威、經(jīng)濟(jì)、可行、實(shí)用的技術(shù)指導(dǎo)，改造費(fèi)用為新購置費(fèi)

2、用的四分之一到三分之一。 普通機(jī)床的數(shù)控改造有兩方面的意義：1、 微觀看改造的意義 從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。 （1）可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 （2）可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高37倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)

3、化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“柔性自動(dòng)化”。 （3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 （4）可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 （5）擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。 （6）由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行fmc（柔性制造單元）、fms（柔性制造系統(tǒng)）以及cims（計(jì)算機(jī)集成

4、制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 2、宏觀看改造的意義 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、fmc、fms外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行cad、cae、cam、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行mis（管理信息系統(tǒng)）、cims等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場(chǎng)上競爭力大為

5、增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已達(dá)20.8，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。二、普通機(jī)床的數(shù)控改造方案的確定1、系統(tǒng)總體改造方案的確定目前，在機(jī)械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機(jī)床，如果改用微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的改造，會(huì)使機(jī)床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)雜零件的加工，不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的機(jī)電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制部件；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)

6、作為主要控制裝置。前者需要新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，比較簡單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及專用的控制程序組成開環(huán)控制，如圖2-1所示，其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過程大多是由單片機(jī)按照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動(dòng)刀架、縱橫軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)。微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的速度較快，可以讓單片機(jī)每完成一次插補(bǔ)、進(jìn)給，就執(zhí)行一次延時(shí)程序，由延時(shí)程序控制進(jìn)給速度。圖2-1 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖2、 機(jī)械系統(tǒng)的改造方案的確定在熟悉原機(jī)床的操作過程及傳動(dòng)系

7、統(tǒng)后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)改造方案。包括電機(jī)型號(hào)的選擇，減速比的確定，齒輪模數(shù)及齒輪的確定，原有絲杠及導(dǎo)軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時(shí)絲杠螺母副的型號(hào)及安裝形式如何確定，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方法等。對(duì)ca6140車床的縱向（z向）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)控改造，此時(shí)可將開合螺母合上，離合器脫開，使主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)脫開，此時(shí)，將脫落螺桿等橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)至空擋（脫開）位置。若原刀架為自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，則可以由微機(jī)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換刀具，否則仍由手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架。如需加工螺紋，則要在主軸外端或其他適當(dāng)位置安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器來檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來保證主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的相互關(guān)系。這種改造方

8、案成本較低。但是，為了保證加工精度，還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行檢修，才能保證控制精度。原有機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件（包括導(dǎo)軌、絲杠副等）安裝質(zhì)量的好壞，直接影響阻力和阻力矩的大小，應(yīng)盡量減小阻力（力矩），以提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的效率。對(duì)絲杠及軸要提高其直線度，導(dǎo)軌壓板及螺母的預(yù)緊力都要調(diào)得合適。為減少導(dǎo)軌副的摩擦阻力可改換成滾動(dòng)導(dǎo)軌副或采用鑲塑料導(dǎo)軌。根據(jù)阻力（力矩），切削用量的大小及機(jī)床型號(hào)的不同，應(yīng)通過計(jì)算，選用與之相匹配的步進(jìn)電機(jī)。如果選用步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩過大，價(jià)格就貴，機(jī)電一體化改造的成本就高，且對(duì)用戶來說，在使用中，始終用不到那么大的驅(qū)動(dòng)能力，也是一個(gè)浪費(fèi)；如果選得過小，在使用中很可能因各種原因而

9、使切削阻力突然增大，驅(qū)動(dòng)能力不夠，將會(huì)引起丟步現(xiàn)象的產(chǎn)生，造成加工誤差。因此，必須對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行匹配選擇。對(duì)加工精度較高的機(jī)床，其進(jìn)給絲杠應(yīng)換成滾珠絲杠副。3、微機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定（1）、微機(jī)控制系統(tǒng)的總體組成數(shù)控部分采用mcs-51系列單片機(jī)控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的價(jià)格低，功能強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)，比較適用于一般機(jī)床的數(shù)控改造，但由于其無內(nèi)存，必須外接存儲(chǔ)及i/o擴(kuò)展芯片才可以成為一個(gè)較簡單的微機(jī)控制系統(tǒng)。存儲(chǔ)芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及cpu的字長，i/o擴(kuò)展芯片的個(gè)數(shù)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)需要的i/o通道的個(gè)數(shù)來確定。（2） 、軟硬件任務(wù)合理分配 涉及

10、軟、硬件任務(wù)分配的有：控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生與脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。 上述三個(gè)都可以用磚用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，也可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。用硬件實(shí)現(xiàn)，編程時(shí)比較簡單，但同時(shí)增加了硬件成本及故障源。用軟件實(shí)現(xiàn)，可節(jié)省芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)者的軟、硬件方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及能力。計(jì)算與說明主要結(jié)果 三、機(jī)床傳動(dòng)部分的改造（一）系統(tǒng)負(fù)載的確定1、 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/脈沖，此次改造的ca6140車床在縱向的脈沖當(dāng)量取0.01mm/脈沖。

11、2、 切削力計(jì)算用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主切削力對(duì)于車床的主切削力縱切：fz=0.67（n）dmax車床床身上加工最大直徑（mm） fz=0.67x=5360（n）按比例分別求出分力fx和fy,由fz：fx：fy,=1：0.25：0.4fx走刀方向fy切深抗力得：fx=0.25x5360=1340（n）fy=0.4x5360=2144（n）作用在進(jìn)給拖板上的載荷可按下列式子求出：拖板上進(jìn)給方向載荷： 拖板上垂直方向載荷：拖板上橫向方向載荷：（二）滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型1、 計(jì)算進(jìn)給率引力fm(最大工作載荷)fm=k fx+( +g)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，查表34機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，選綜合

12、型導(dǎo)軌，其k=1.15, 摩擦系數(shù)f=0.16, 工作臺(tái)重量g=800（n），則：fm=1.15x1340+0.16x（5360+800）=2526.6（n）2、 計(jì)算最大動(dòng)載荷c=fwfhfm其中：l=；n為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）,n=;vs為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/21/3，取vs=0.6/3=0.2（m/min）;l0為絲杠的導(dǎo)程（mm）;t為使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)車t=15000h;為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，查表35機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書取=1.3；取硬度52.5hrc，為硬度系數(shù)，取=1.35?？紤]到絲杠對(duì)加工精度和經(jīng)濟(jì)性的影響，l0應(yīng)優(yōu)先取4、6

13、、8（mm）系列；（1）選基本導(dǎo)程l0=4mm,則： 絲杠轉(zhuǎn)速n=50 (r/min) 壽命l=45 最大動(dòng)載荷： =fwfhfm=1.31.352526.6=15772（n）（2）選基本導(dǎo)程l0=6mm,則：絲杠轉(zhuǎn)速n=(r/min)壽命l=30最大動(dòng)載荷： =fwfhfm=1.31.352526.6=13778（n）（3）選基本導(dǎo)程l0=8mm,則：絲杠轉(zhuǎn)速n=25 (r/min)壽命l=22.5最大動(dòng)載荷： =fwfhfm=1.31.352526.6=12518（n）考慮到工作要求，外循環(huán)插管式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，安裝尺寸小，剛度高等優(yōu)點(diǎn)可以滿足車床改造要求，故選

14、漢江機(jī)床廠c1型滾珠絲杠。查機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)表7.213得相應(yīng)的額定動(dòng)載荷滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時(shí)應(yīng)滿足 。查表，選擇以下驗(yàn)算：當(dāng)時(shí)，=15772（n），表中額定動(dòng)載荷顯示： 0.9滿足設(shè)計(jì)要求。絲杠基本導(dǎo)程，絲杠公稱直徑則滾珠絲杠副的摩擦角=當(dāng)時(shí)，=0.9420.9滿足要求；當(dāng)時(shí)，=0.9560.9滿足要求。4、剛度驗(yàn)算 1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 式中-絲杠的最大工作載荷，單位為n； -絲杠兩端支承間的距離，單位為mm； -絲杠材料的彈性模量，鋼的e=； s-絲杠按底徑確定的截面積，單位為；m-轉(zhuǎn)矩，單位為；i-絲杠按底徑確定的截面積慣性矩（），單位為。其中，“+”號(hào)用于

15、拉伸，“”用于壓縮。由于轉(zhuǎn)矩m一般較小，式中第2項(xiàng)在計(jì)算式可酌情忽略。當(dāng)=6mm時(shí)， 取1185mm -絲杠的公稱直徑，-偏心距，-螺紋滾道的半徑。 故 若兩端采用角接觸球軸承，且絲杠由進(jìn)行了預(yù)緊，預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3時(shí)，其拉伸剛度可比一端固定的絲杠提高4倍，其實(shí)際變形量為： 2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形mm（此項(xiàng)在總變形量中也占比較大的比重）有預(yù)緊時(shí)： 式中：-滾珠直徑，單位為； -滾珠總數(shù)量，； -單圈滾珠數(shù)，（外循環(huán)）， （內(nèi)循環(huán)） -預(yù)緊力，單位為n。 z：一圈的滾珠數(shù)（外循環(huán)） 取z=32 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時(shí)，值可減少一半，即： 3） 剛度

16、驗(yàn)算 絲杠的總變形量。一般總變形量不應(yīng)大于機(jī)床規(guī)定的精度一半。 符合條件要求當(dāng)=8mm時(shí)，1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 取1185mm -絲杠的公稱直徑，-偏心距，-螺紋滾道的半徑。 故 若兩端采用角接觸球軸承，且絲杠由進(jìn)行了預(yù)緊，預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3時(shí)，其拉伸剛度可比一端固定的絲杠提高4倍，其實(shí)際變形量為： 2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形mm（此項(xiàng)在總變形量中也占比較大的比重）有預(yù)緊時(shí)： 式中：-滾珠直徑，單位為； -滾珠總數(shù)量，； -單圈滾珠數(shù)，（外循環(huán)）， （內(nèi)循環(huán)） -預(yù)緊力，單位為n。 z：一圈的滾珠數(shù)（外循環(huán)） 取z=26 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3

17、時(shí)，值可減少一半，即： 3）剛度驗(yàn)算 絲杠的總變形量。一般總變形量不應(yīng)大于機(jī)床規(guī)定的精度一半。 故符合條件。=6mm,=8mm都滿足要求。以基本導(dǎo)程最大的滾珠絲杠作為最終選擇，即以=8mm的作為計(jì)算依據(jù)。5、 穩(wěn)定性的驗(yàn)算 滾珠絲杠屬于受軸向力的細(xì)長桿，如果過軸向負(fù)載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷應(yīng)滿足： 式中： -臨界載荷，單位為n； -絲杠支承系數(shù)； -壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.54，垂直 安裝時(shí)取最小值； -滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為。 -絲杠材料的彈性模量，e=； i-絲杠按底徑確定的截面積慣性矩（），單位為。 因絲杠兩端固定，取絲杠支撐方式系數(shù)； 取1185；

18、壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，取4； ； 故絲杠不失穩(wěn)四、電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算（一）減速比的確定 減速比為：i=式中：為脈沖當(dāng)量（mm/plus）;為滾珠絲桿的基本導(dǎo)程（mm）,步進(jìn)電機(jī)的步距角由系統(tǒng)的定位精度要求可確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為：=0.01mm/plus初選三相異步電動(dòng)機(jī)：根據(jù)經(jīng)濟(jì)性要求，采用三相六拍工作方式的步進(jìn)電機(jī)，步距角為=0.75。i=0.75/(3600.01)=1.67(二) 齒輪傳動(dòng)的確定1、傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的選擇 對(duì)于數(shù)控機(jī)車的齒輪傳動(dòng)，應(yīng)采用設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)。 通常，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)級(jí)數(shù)少一些比較好，因?yàn)榭梢詼p少零部件的數(shù)目

19、，簡化傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳動(dòng)精度，減少空程誤差，有利于提高傳動(dòng)效率。同時(shí)較小，故在此選用圓柱直齒輪單級(jí)傳動(dòng)。 一般模數(shù)取m=12，數(shù)控車取m=2。 齒輪寬b=(36)m，為了消除齒側(cè)隙，寬度可加大到（610）m。z17，取z=30，m=2，則 取 取中心距 選小齒輪齒數(shù)，小齒輪的齒寬度，大齒輪齒數(shù)，大齒輪的齒寬度。對(duì)斜齒圓柱齒輪采用軸向墊片調(diào)整法，修正或改變軸向調(diào)整墊片的厚度以減少側(cè)隙，但不能自動(dòng)補(bǔ)償齒隙。（三）步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算（1）齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計(jì)算 m-圓柱體質(zhì)量（kg）d-圓柱體直徑（cm）l-圓柱體長度或圓度（cm）滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為齒輪的轉(zhuǎn)

20、動(dòng)慣量為查表3.11機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用電機(jī)限定工作方式的是三相六拍，步距角為，故符合的是：110bf003和110bf004。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為： 110bf003: 110bf004：（2） 工作臺(tái)折算到絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 v-工作臺(tái)移動(dòng)速度(cm/min) n-絲桿轉(zhuǎn)速(r/min) g-工作臺(tái)的重量(n) g-重力加速度(10m/s) -絲桿導(dǎo)程(cm) (3) 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由于： 式中：i-系統(tǒng)總的減速比 -各轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.cm) -各轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)速(r/min) -電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min) -電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.cm)（4） 系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

21、2、電機(jī)力矩的計(jì)算主要考慮快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩和最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩。 電機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載 （1） 空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 式中： -傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.cm) -運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度(mm/min) -電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min) -運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大進(jìn)給速度所需時(shí)間(s) 綜上有電機(jī)軸上的加速度力矩： （2）摩擦力矩 式中： -導(dǎo)軌的摩擦力（n） -垂直方向的切削力（n） g-運(yùn)動(dòng)部件的總重量(n) g=800n -導(dǎo)軌摩擦系數(shù) =0.16 i-齒輪總減速比 i=1.67 -傳動(dòng)鏈總效率，一般可取 則有： （3）附加摩擦力矩式中： -滾珠絲桿

22、預(yù)加負(fù)載（n）,一般取工作載荷的 -滾珠絲桿導(dǎo)程(cm) -滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 則有： （4） 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 式中：-進(jìn)給方向最大切削力（n） 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 在、兩種力矩中取大者為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。對(duì)于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床來說，因?yàn)橐ＷC一定的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)較小，而等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又較大，故電機(jī)力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動(dòng)力矩作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。3、步進(jìn)電機(jī)的選擇（1）首先根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)的型號(hào) 步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩： 由，所以 電機(jī)的起動(dòng)力矩與最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩之間具有以下關(guān)

23、系，見機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表310）：，（因電機(jī)工作方式為三相六拍，故取=0.866）查表3.11機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 110bf003：=784n.cm 110bf004： = = 因?yàn)?，所以型?hào)為110bf003和110bf004均符合要求，但是，型號(hào)為110bf003的步進(jìn)電機(jī)更符合要求，因?yàn)?，裕度較大；且110bf003的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩比110bf004的大，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差就越小。故選型號(hào)為110bf003的三相六拍的步進(jìn)電機(jī)。（2）計(jì)算電機(jī)的工作效率1） 最大空載起動(dòng)頻率式中： -為運(yùn)動(dòng)部件最大快速進(jìn)給速度（m/min）， 故： 滿足要求2） 切削時(shí)的最

24、大工作頻率式中： 為最大切削進(jìn)給速度（m/min） 故： 由上述計(jì)算可知：系統(tǒng)要求的空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩頻率要大于電機(jī)的空載起動(dòng)頻率1500hz,且很難找到空載起動(dòng)頻率滿足要求的電機(jī)型號(hào)，可以采用調(diào)壓起動(dòng)等方式起動(dòng)電機(jī)使電機(jī)的空載起動(dòng)頻率滿足要求；而電機(jī)運(yùn)行頻率7000hz可以滿足系統(tǒng)要求。（2） 校核步進(jìn)電機(jī)1） 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)能力及較快的響應(yīng)速度，通常推薦： 式中：-步進(jìn)電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（n.cm），見電機(jī)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表3-11得： （110bf003） （110bf004） -傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（n.m）； -步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

25、(kg.m)，見電機(jī)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表3-11得： （110bf003） （110bf004） -傳動(dòng)系統(tǒng)折算到步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ()，。 故所選步進(jìn)電機(jī)110bf003具有良好的起動(dòng)能力及較快的響應(yīng)速度，滿足要求。 故110bf004符合要求2） 校核起動(dòng)轉(zhuǎn)矩頻率特性和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩頻率特性 根據(jù)計(jì)算出的最大空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)最大工作頻率分別查出在此頻率下電機(jī)不失步是所允許的最大力矩 和，應(yīng)滿足： ， 一般數(shù)控機(jī)床往往不能滿足 的要求，必須采用升降速措施。如果過步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)力矩還不能滿足要求，則可以采用高低壓驅(qū)動(dòng)功放電路，將步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)力矩在擴(kuò)大一倍左右。五、系統(tǒng)微機(jī)部分改造設(shè)計(jì)（一）

26、 單片機(jī)的選擇根據(jù)總體方案的鑒定，微機(jī)已采用mcs-51系列單片機(jī)，51系列相對(duì)48系列單片機(jī)指令更豐富，相對(duì)96系列價(jià)格更便宜，51系列有三種型號(hào)：8031是無rom的8051；8751是eprom代替rom的8051。目前，數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)，他價(jià)格低，功能強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用8031。（二） 擴(kuò)展存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)1.地址鎖存 由8031的p0口分別作地址總線低8位和數(shù)據(jù)總線，故需采用74ls373作為地址線低8位的鎖存器。2.擴(kuò)展rom 8031無內(nèi)部rom，須采用擴(kuò)展外部rom，由車床數(shù)控系統(tǒng)包含系統(tǒng)控制程序和加工程序，采用16k*8的27128芯片，可與單片機(jī)所

27、選的12mhz時(shí)鐘相匹配。 rom的地址范圍為0000h3fffh，并且采用譯碼器，使地址范圍為無重疊區(qū)。3.擴(kuò)展ram 8031片內(nèi)僅有ram128字節(jié)需擴(kuò)展，采用8k*8的6264芯片，其地址范圍 6000h7fffh，也采用譯碼器，使其無重疊區(qū)的地址范圍。（三）i/o擴(kuò)展 8031只有p1口可作為普通i/o口用，所以需擴(kuò)展，需要計(jì)算一下總共需多少i/o口線，設(shè)計(jì)中，鍵盤需要32個(gè)鍵，采用矩形陣式鍵盤。需要13個(gè)i/o口；顯示器采用8個(gè)led，需要9個(gè)i/o口；一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)，采用硬件脈沖分配器，需要5個(gè)i/o，兩個(gè)主標(biāo)軸的超程式報(bào)警及故障顯示及急停均采用8031的i/o口，不做內(nèi)存擴(kuò)展

28、口計(jì)算，為使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，仍可控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換刀具或用手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架，需要6個(gè)i/o口；為控制工作臺(tái)x軸，z軸的速度和位移，使其具有暫停功能，起動(dòng)鍵可繼續(xù)執(zhí)行及單步控制功能，需采用一個(gè)8155芯片和一個(gè)8255芯片，肯定可以滿足要求。（四）超程保護(hù)電路為防止x，y工作臺(tái)越出邊界，可設(shè)置限位開關(guān)，分別為+x，-x，+y和-y向4個(gè)限位開關(guān)，一旦越界，立即停止工作臺(tái)移動(dòng)?？衫?031的外部中斷引腳int0，只要有一個(gè)開關(guān)閉合，即工作臺(tái)越界，立即停止工作臺(tái)移動(dòng)。（五）緊急停電電路 可采用兩點(diǎn)控制環(huán)節(jié)，為便于操作人員的操作也應(yīng)經(jīng)過隔音電路。（六）鍵盤與顯示電路 采用一片8155。（七）由地址范圍計(jì)算74

29、ls138譯碼器接口電路1.芯片27128地址范圍0000h3fffh，共有13個(gè)引腳。c b 0 0 0 0 00 011 1查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表4-6 74ls138功能表c b a，0 0 0 0 0 1 0 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 11 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1由于27128需要13個(gè)引腳，所以在74ls128中引腳a接地，由c，b引腳來確定

30、中的選擇。由地址范圍可知cb為00，所以選擇腳，即當(dāng) =0，=0和=0時(shí)為0000h =0，=0和=1時(shí)為3fffh2.芯片6264地址范圍6000h7fffh需要12個(gè)引腳。 c b 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1查表4-6 ，74ls138功能表可知cb為0 1時(shí)，選腳3. 8155和8255地址范圍 cb控制方式有=4種，為c b0 0 271280 1 62641 0 1 1 00為27128所采用，01為6264所才采用，則8155和8255在10和11中選一個(gè)即可，現(xiàn)8155采用10對(duì)應(yīng)，8255采用11對(duì)應(yīng)，所以8155地址范圍為8000hbfffh，8255地址

31、范圍為c000hffffh。（八）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)根據(jù)所選的110bf003型電機(jī)有參數(shù)相數(shù)步距角電壓電流最大靜轉(zhuǎn)矩空載起動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率電感電阻分配方式110bf0033075806784150070003550373s相6拍1、確定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率（1）確定步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速絲桿的轉(zhuǎn)速為： 其中為工作臺(tái)的最大切削速度步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為：（2）確定其運(yùn)行頻率步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍方式的控制脈沖 2、驅(qū)動(dòng)回路的時(shí)間常數(shù) 采用三相六拍方式的控制脈沖。每相工作三拍改變依次通電狀態(tài)，但為了每一拍都能正常工作，每拍脈沖寬度的時(shí)間電流上升至額定電流的60%，即 負(fù)載回路的時(shí)間常數(shù)為： 因此式中：l-步進(jìn)電機(jī)

32、一相繞組的平均電感量； -通電回路的電阻。l和由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（表3-11反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)性能數(shù)據(jù)）。3、若選用線路簡單的串聯(lián)電阻法改善靜電流上升沿，其時(shí)間常數(shù)為： 則： 其中：所以 需要串聯(lián)如此大的電阻，在該電阻上損失的功率為1.26kw顯然很不合理，所以采用雙電源電路。4、高壓電源電壓的確定 電機(jī)每相工作三拍改變一次通電狀態(tài)，設(shè)要求在控制脈沖寬度時(shí)間內(nèi)相電流達(dá)到額定電流的60%，這個(gè)時(shí)間也就是高壓電源工作時(shí)間，即單穩(wěn)翻轉(zhuǎn)時(shí)間，其值為： 高電壓電源電壓 5、元件的確定 （1）為了使電路簡單、緊湊，功率放大t1和t2選用復(fù)合管2sd8511501503102830001080150（2）

33、確定和從和性能數(shù)據(jù)知，負(fù)載電流，基極電流為： 式中：-電路放大倍數(shù)因此等效輸入電阻為： 光耦合器選用：g0102光耦合器光敏三極管的輸入等效電路見下圖：從等效電路可得： =+ =8.0 =-=72選擇耦合器輸入電流 =10ma(最大的電流為50ma),電流傳輸比=30%； =1030%=3ma解上述方程組得：；。（3）確定 前面已選定耦合器輸入電流=10ma，可得到光耦合器輸入正向壓降為1.3v，所以=（51.3）/=370。（4）確定，a, 若使電流上升沿陡，希望t2工作于飽和狀態(tài)（實(shí)際還沒有達(dá)到飽和電流，單穩(wěn)已翻轉(zhuǎn)成低電平）。首先確定基極電流。負(fù)載的平均阻抗： /=80/6=13.3b,t

34、2的飽和電流： =（-2-）/ =（192-22-80）/13 8.31at2基極電流應(yīng)為： =/ =8.31/3000 =2.77ma光耦合器輸入電流為100ma，所以：光耦合器輸出電流： = =10 =3.3ma因此： =-=3.3-2.77 =0.53 mac, 求（0點(diǎn)電位） 在期間0，是變化的，變化范圍近似為2至，計(jì)算時(shí)取平均值： =（2）+（）/2 =（192-2）+（192-80）/2 =151vt2的等效輸入電阻為： =/ =8/0.35 =22.86k =（-）/ =（192-2-151）/3.3 =11.82kd, 確定r9為提供給單穩(wěn)和驅(qū)動(dòng)門足夠輸入電流（各5ma），所以

35、：r9=500e, 選擇d1，d2選用2cz13a硅整流二極管f, 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74221翻轉(zhuǎn)時(shí)間的確定 當(dāng)單穩(wěn)74221的“清除端”加高電平a端加低電平時(shí)，b端正躍變可使單穩(wěn)的q端從低電平變成高電平，經(jīng)過一段時(shí)間自動(dòng)翻轉(zhuǎn)成低電平，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，q端輸入一個(gè)脈沖，脈沖寬度由外電阻(取10k)和決定，即： =ln2則： =/（ln2） =0.667/（ln2 10） =0.096f74221為雙單端多諧振蕩器，步進(jìn)電機(jī)需用3片74221。 fz=5360（n）fx=1340（n）fy=2144（n）fm=2526.6（n）=15772（n）=13778（n）=12518（n）因?yàn)?.9滿足

36、要求時(shí)=0.9560.9滿足要求=0.00351(mm)=0.00128(mm)=6mm時(shí)（mm）符合=0.0037=0.0014(m m)=8mm 時(shí)=0.0051(m m)符合選用基本導(dǎo)程為8mm的滾珠絲杠，型號(hào)為4008-2.5絲杠不失穩(wěn)。當(dāng)使用110bf003電機(jī)當(dāng)使用110bf004電機(jī)當(dāng)使用110bf003電機(jī)當(dāng)使用110bf004電機(jī)當(dāng)使用110bf003電機(jī)當(dāng)使用110bf004電機(jī)初選型號(hào)為110bf003的三相六拍的步進(jìn)電機(jī)最終選用110bf003步進(jìn)電機(jī)采用8031采用74ls373采用27128采用6264采用8155和采用8255采用8155=1020hz采用雙電源電

37、路t1和t2選用復(fù)合管2sd851光耦合器選用g0102=370=10k=0.096f六、微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（一）模塊組成本程序主要由如下模塊組成：1、主模塊用于系統(tǒng)初始化和監(jiān)控；其中初始化包括8155初始化、緩沖區(qū)清零、定時(shí)/計(jì)數(shù)常數(shù)的設(shè)置、開中斷等處理；監(jiān)控主要判斷是否有命令按下，并根據(jù)命令調(diào)用相應(yīng)的子程序模塊。主模塊流程圖如下；根據(jù)鍵盤功能鍵的設(shè)定，相應(yīng)的子程序模塊包括“”、“”、“”、“”各個(gè)命令及“暫?！泵钐幚砟K。這里設(shè)定一標(biāo)志，其作用是反映xy工作臺(tái)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向。標(biāo)志位為內(nèi)部ram區(qū)的2bh ，其定義如下：2bh單元值 當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向（2b）=01h +x（2b）=02h -

38、x（2b）=03h +z（2b）=04h -z（2b）=00h 初始時(shí)為00h2、子程序模塊使用暫停鍵“stop”子模塊，暫停鍵功能是暫時(shí)使xy工作臺(tái)停止移動(dòng)，因此只需停止步進(jìn)脈沖信號(hào)即可。3、越界報(bào)警、急停處理模塊本模塊的主要功能是當(dāng)xy工作臺(tái)移動(dòng)越出邊界時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理，停止一切正常工作，由復(fù)位重新使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。報(bào)警用紅燈亮指示。4、實(shí)時(shí)修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊根據(jù)鍵盤的接口電路，可以用編程掃描方式和定時(shí)掃描方式。這里選擇后一種，用定時(shí)中斷模塊同時(shí)完成鍵盤和顯示的掃描。對(duì)于鍵盤掃描，應(yīng)該解決去抖動(dòng)問題，一般調(diào)用延時(shí)10ms左右來實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于顯示掃描，為保證多位同時(shí)顯示而無閃爍，應(yīng)使掃

39、描頻率高于50hz。設(shè)定定時(shí)時(shí)間為3ms，即每隔3ms中斷 1次，修改一次顯示位，每位顯示的點(diǎn)亮?xí)r間是3ms，掃描一遍共需53=15ms，掃描頻率約64hz，高于50hz。 鍵盤采用每隔33=9ms掃描一次，其目的是消除鍵盤抖動(dòng)。設(shè)置一標(biāo)志位，其地址為內(nèi)存ram30h單元，用于計(jì)數(shù)中斷次數(shù)，當(dāng)其等于3時(shí)，正好隔9ms，馬上查詢鍵盤。另外還應(yīng)設(shè)一標(biāo)志位，用以標(biāo)志連續(xù)兩次查詢到按鍵值是否一樣，其地址為31h，定義如下：（31h）=1，表明上次查詢有鍵按下；（31h）=0，則為無鍵按下。只要當(dāng)上次有鍵按下，且隔9ms后再次查詢有同一鍵按下時(shí)，才能確認(rèn)有鍵按下，否則均視為誤動(dòng)作，不予理睬。5、鍵盤、顯示定時(shí)掃描管理模塊本模塊采用中斷方式，其作用是通過對(duì)8155定時(shí)/計(jì)數(shù)的輸出信號(hào)，也即對(duì)步進(jìn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，來修改顯示緩沖區(qū)中工作臺(tái)當(dāng)前工作位置。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際脈沖當(dāng)量，一個(gè)步進(jìn)脈沖，相當(dāng)于工作臺(tái)位移增量為0.01mm，可以設(shè)定中斷計(jì)數(shù)常數(shù)為10，每中斷一次，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)0.1mm，這里用內(nèi)部ram單元為中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器。（二）緩沖區(qū)設(shè)置應(yīng)設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)：鍵盤緩沖區(qū)和顯示緩沖區(qū)。1、鍵盤緩沖區(qū)主要用于存放由鍵盤輸入的命令，長度為4字節(jié)，地址為8031內(nèi)部ram區(qū)20h23h，第一字可用于緩沖區(qū)空、滿等標(biāo)志，定義如下：（20h）=00h，緩沖區(qū)為空，（20h）=01h，緩沖區(qū)內(nèi)未處理完的命令個(gè)數(shù)